Az akcelerométerek és a giroszkópok egyre népszerűbbek a szórakoztató elektronikában, így talán itt az ideje, hogy a projektedbe is beépítsd őket! A SparkFun érzékelők kategóriájában görgetve egy hatalmas listát találsz ezekből az érzékelőkből, amelyek tökéletesek lehetnek a következő projektedhez, ha csak tudnád, hogy mit csinálnak, és melyik illik a legjobban a projektedhez. Ennek a vásárlási útmutatónak az a célja, hogy egy nyelvet beszélj ezeknek az érzékelőknek az adatlapjaival, és segítsen kiválasztani az igényeidnek leginkább megfelelőt.

Akcelerométerek

Mit mér egy gyorsulásmérő? Nos, a gyorsulást. Tudod… azt, hogy valami milyen gyorsan gyorsul vagy lassul. A gyorsulást vagy méter/másodperc négyzetmértékben (m/s2), vagy G-erőben (g), ami körülbelül 9,8m/s2 (a pontos érték függ a magasságtól és a bolygó tömegétől, amelyen tartózkodunk).

A gyorsulásmérőket statikus (pl. gravitáció) és dinamikus (pl. hirtelen elindulás/megállás) gyorsulás érzékelésére egyaránt használják. A gyorsulásmérők egyik legszélesebb körben használt alkalmazása a dőlésérzékelés. Mivel a gravitációs gyorsulás hat rájuk, a gyorsulásmérő meg tudja mondani, hogy milyen a tájolás a Föld felszínéhez képest. Az Apple iPhone például gyorsulásmérővel rendelkezik, amelyből megtudhatja, hogy a készüléket függőleges vagy álló helyzetben tartják-e. A gyorsulásmérő a mozgás érzékelésére is használható. A Nintendo WiiMote gyorsulásmérője például arra használható, hogy érzékelje a teniszütő elő- és hátütéseit, vagy a tekegolyó gurítását. Végül a gyorsulásmérő arra is használható, hogy érzékelje, ha egy eszköz szabadesésben van. Ezt a funkciót számos merevlemezben megvalósították: ha esést érzékel, a merevlemez gyorsan kikapcsol, hogy megóvja az adatvesztéstől.

Most, hogy már tudja, mire képesek, nézzük meg, milyen tulajdonságokra kell figyelnie a gyorsulásmérő kiválasztásakor:

• Hatótáv – A gyorsulásmérő által mérhető értékek felső és alsó határát tartománynak is nevezik. A legtöbb esetben a kisebb teljes skálatartomány érzékenyebb kimenetet jelent; így egy alacsony teljes skálatartományú gyorsulásmérővel pontosabb leolvasást kaphat.
  Az érzékelési tartományt úgy kell kiválasztania, hogy az a legjobban illeszkedjen a projektjéhez, ha a projektje csak +2g és -2g közötti gyorsulásoknak lesz kitéve, akkor egy ±250g tartományú gyorsulásmérő nem fog nagy pontosságot, vagy egyáltalán nem fog pontosságot adni.
  Gyorsulásmérők jó választékával rendelkezünk, a maximális tartományok ±1g-tól ±250g-ig terjednek. A legtöbb gyorsulásmérőnk kemény maximális/minimális tartományra van beállítva, azonban néhány szofisztikáltabb gyorsulásmérő választható tartományokkal rendelkezik.
• Interfész – Ez egy másik fontos specifikáció. A gyorsulásmérők analóg, impulzusszélesség-modulált (PWM) vagy digitális interfésszel rendelkeznek.
  • Az analóg kimenettel rendelkező gyorsulásmérők az érzékelt gyorsulással egyenesen arányos feszültséget állítanak elő. 0g-nál az analóg kimenet általában a szolgáltatott feszültség körülbelül közepén van (pl. 1,65V egy 3,3V-os érzékelőnél). Általában ezzel az interfésszel a legkönnyebb dolgozni, mivel a legtöbb mikrokontrollerben analóg-digitális átalakító (ADC) van implementálva.
  • A PWM interfésszel rendelkező gyorsulásmérők egy fix frekvenciájú négyszöghullámot állítanak elő, de az impulzus kitöltési ciklusa az érzékelt gyorsulással változik. Ezek elég ritkák; csak egy van a katalógusunkban.
  • A digitális gyorsulásmérők általában soros interfésszel rendelkeznek, legyen az SPI vagy I²C. A tapasztalatoktól függően ezeket lehet a legnehezebb integrálni a mikrokontrollerrel. Ennek ellenére a digitális gyorsulásmérők azért népszerűek, mert általában több funkcióval rendelkeznek, és kevésbé érzékenyek a zajra, mint analóg társaik.
• A mért tengelyek száma – Ez nagyon egyszerű: a három lehetséges tengelyből (x, y és z) hányat tud érzékelni a gyorsulásmérő? Általában a háromtengelyes gyorsulásmérők a legmegfelelőbbek; ezek a legelterjedtebbek, és tényleg nem drágábbak, mint a hasonlóan érzékeny egy- vagy kéttengelyes gyorsulásmérők.
• Energiafelhasználás – Ha a projekt akkumulátorról működik, érdemes figyelembe venni, hogy a gyorsulásmérő mennyi energiát fog fogyasztani. A szükséges áramfelvétel általában a 100 µA tartományba esik. Néhány érzékelő alvófunkcióval is rendelkezik, hogy energiát takarítson meg, amikor a gyorsulásmérőre nincs szükség.
• Bónusz funkciók – Sok újabban kifejlesztett gyorsulásmérő a gyorsulási adatok előállításán túl néhány hasznos funkcióval is rendelkezhet. Ezek az újabb gyorsulásmérők olyan funkciókat tartalmazhatnak, mint a választható mérési tartományok, az alvásvezérlés, a 0-g érzékelés és a csapolásérzékelés.

Gyros

A giroszkópok a szögsebességet mérik, vagyis hogy valami milyen gyorsan forog egy tengely körül. Ha egy mozgásban lévő tárgy tájolását próbáljuk nyomon követni, a gyorsulásmérő nem biztos, hogy elegendő információt ad ahhoz, hogy pontosan tudjuk, hogyan tájolódik. A gyorsulásmérőkkel ellentétben a giroszkópokat nem befolyásolja a gravitáció, így remekül kiegészítik egymást. A szögsebességet általában percenkénti fordulatszám (RPM) vagy másodpercenkénti fok (°/s) mértékegységben látja. A három forgástengelyt vagy x, y és z, vagy gördülés, dőlés és görgetésként jelölik.

A múltban a giroszkópokat űrnavigációra, rakétairányításra, víz alatti irányításra és repülésirányításra használták. Mostanában a gyorsulásmérőkkel együtt kezdik használni őket olyan alkalmazásokban, mint a mozgásérzékelés és a járműnavigáció.
Az, amit a gyorsulásmérő kiválasztásakor figyelembe vettünk, a tökéletes giroszkóp kiválasztásakor is érvényes:

• Hatótávolság – Győződjön meg arról, hogy a mérni kívánt maximális szögsebesség nem haladja meg a giroszkóp maximális tartományát. De a lehető legjobb érzékenység elérése érdekében is győződjön meg arról, hogy a giroszkóp hatótávolsága nem sokkal nagyobb, mint amire számít.
• Interfész – Ebben a szakaszban valójában nincs nagy változatosság, az általunk forgalmazott giroszkópok 95%-a *analóg *kimenettel rendelkezik. Van néhány, amelyik digitális interfésszel rendelkezik – vagy SPI vagy I2C.
• A mért tengelyek száma – A gyorsulásmérőkhöz képest a giroszkópok egy kicsit le vannak maradva. Csak nemrégiben kezdtek olcsó, 3 tengelyes giroszkópok megjelenni a piacon. A legtöbb giroszkópunk 1 vagy 2 tengelyes. Ezek kiválasztásakor figyelnie kell arra, hogy a három tengely közül melyiket méri a giroszkóp; például egyes kéttengelyes giroszkópok a dőlést és a gördülést, míg mások a dőlést és a görbülést mérik.
• Energiafelhasználás – Ha a projekt akkumulátorról működik, érdemes figyelembe venni, hogy a giroszkóp mennyi energiát fog fogyasztani. A szükséges áramfelvétel általában a 100 µA tartományban van. Néhány érzékelő alvófunkcióval is rendelkezik, hogy energiát takarítson meg, amikor a giroszkópra nincs szükség.
• Bónusz funkciók – Ebben a részben nem sok minden fogja Önt elszállítani. Sok giroszkóp rendelkezik hőmérséklet kimenettel, ami nagyon hasznos a drift kompenzálásakor.

IMUs

A giroszkópok és a gyorsulásmérők nagyszerűek, de önmagukban nem adnak elég információt ahhoz, hogy kényelmesen kiszámíthassunk olyan dolgokat, mint a tájolás, a pozíció és a sebesség. Ezen és más változók mérésére sokan kombinálják a két érzékelőt, hogy létrehozzanak egy inerciális mérőegységet (IMU), amely két-hat szabadságfokot (DOF) biztosít. Az IMU-kat széles körben használják olyan eszközökben, amelyeknek szükségük van a pontos helyzetük ismeretére, például robotkarokban, irányított rakétákban és a test mozgásának tanulmányozására használt eszközökben.

A SparkFun IMU-kat valójában két osztályra lehet bontani: egyszerű IMU kombinált lapokra, amelyek csak egy gyorsulásmérőt és giroszkópot szerelnek egyetlen NYÁK-ra, és összetettebb egységekre, amelyek egy mikrokontrollert kapcsolnak össze az érzékelőkkel, hogy soros kimenetet állítsanak elő. Ha átfutotta az előző szakaszokat, tudnia kell, hogy milyen specifikációkat kell keresnie az IMU-kban: a tengelyek száma (mind a gyorsulásmérő, mind a giroszkóp esetében), az érzékelők mérési tartománya és az interfész.

7

Fogalomtár

Tartomány: Az, hogy egy eszköz milyen értéktartományt képes mérni, fontos tényező annak eldöntésében, hogy melyik a megfelelő a projekthez. Nyilvánvaló, hogy egy 24 g-os gyorsulásmérő nem sokat ér a test mozgásának követésére, hacsak nem tervezi, hogy a világ legnagyobb csúzlijával az űrbe repíti. Hasonlóképpen, ha a gyorsulásmérője legfeljebb 1 g-nál van, akkor nem fog sok hasznos adatot kapni, mondjuk egy rakétaindításról. A gyorsulásmérő hatótávolságát g-erőben, vagyis a földi gravitáció okozta gyorsulás többszörösében mérik. A forgási gyorsulást mérő giroszkóp hatótávolságát másodpercenkénti forgási fokokban adják meg.

Interfész: Azt a módszert, amellyel adatokat küld és fogad egy vezérlő és egy eszköz között, interfésznek nevezzük. Többféle szabvány létezik, és mindegyiknek megvannak az előnyei és hátrányai. Az analóg jelek könnyen olvashatók, és a legtöbb mikrokontrollerrel nagyon kevés kóddal mérhetők. A soros kommunikáció ebben az esetben az UART-ra utal, és egy kicsit több feldolgozási többletköltséget igényel, de több információt képes szállítani, mint az analóg jelek, A soros vagy az I2C gyakori olyan helyzetekben, amikor több tengelyt kell kiolvasni egy vezérlőre. Az I2C egy kétvezetékes soros interfész, amely lehetővé teszi, hogy több eszköz osztozzon egy buszon és kommunikáljon egymással, ez egy nagyon gyakori képesség a mikrokontrollerek között is.

A tengelyek: Ez azon irányok számára utal, amelyekben a gyorsulás mérhető. A gyorsulásmérők a megadott tengelyek mentén mérik a gyorsulást, míg a giroszkópok a tengelyek körüli gyorsulást mérik.

Teljesítményigény: Ez azt az árammennyiséget jelenti, amelyet az eszköz jellemzően fogyaszt működés közben, a rendszernek legalább ekkora áramot kell tudnia biztosítani, és még többet is, hogy elkerülje a rendszertelen viselkedést vagy a lemerüléses állapotokat. Sok eszköz rendelkezik alacsony fogyasztású vagy energiatakarékos üzemmóddal is, amelyben lényegesen kevesebb energiát fogyaszt. A könnyebbség kedvéért az eszköz névleges feszültségét is feltüntettük.

Bónusz funkciók: Minden készülékgyártónak megvan a saját elképzelése arról, hogy milyen “csengőket és sípokat” kell hozzáadni egy giroszkóphoz vagy egy gyorsulásmérőhöz. Ebben az oszlopban felsoroljuk azokat az extra funkciókat, amelyek az egyes készülékeket megkülönböztetik a többitől.